Hydratacja związków o znaczeniu biologicznym oraz prostych substancji modelowych na podstawie metod chemii teoretycznej
Kierownik projektu: Janusz Stangret
Realizatorzy:
- Piotr Bruździak
- Paweł Maszota
- Marcin Stasiulewicz
- Aneta Panuszko
- Mateusz Balicki
- Maciej Śmiechowski
- Katarzyna Janta
- Anna Kielar
Politechnika Gdańska
Wydział Chemiczny
Gdańsk
Data otwarcia: 2006-02-07
Streszczenie projektu
Celem pracy jest poznanie molekularnych aspektów oddziaływań między-cząsteczkowych w roztworach wodnych wybranych związków o biologicznym znaczeniu. Badania są ukierunkowane na poznanie hydratacji białek i peptydów różnego typu (w tym także strukturalnie nieuporządkowanych oraz o strukturze beta-spinki) oraz ich oddziaływania z osmolitami, tj. niewielkimi biocząsteczkami stabilizującymi lub destabilizującymi natywną strukturę białka w roztworze. Wiedza na ten temat, wciąż niedoskonała, pozwoliłaby na lepsze zrozumienie procesów przebiegających w układach biologicznych oraz na możliwość ich świadomego modyfikowania. Ze względu na złożoność takich układów, przedstawienie opisu oddziaływań międzycząsteczkowych wymaga badań z udziałem cząsteczek związków modelowych, zarówno elektrolitów jak i nieelektrolitów.
Wyniki planowanych obliczeń posłużyć mają interpretacji widm oscylacyjnych FTIR wody półciężkiej (HDO) rozcieńczonej izotopowo w wodnych roztworach osmolitów, aminokwasów, oligopeptydów oraz prostych substancji modelowych. Stosowana przez nas metoda analizy widm roztworów prowadzi do wyizolowania widma wody zaburzonej przez substancję rozpuszczoną, złożonego z wielu pasm składowych. Obserwowane pasma należy następnie przypisać odpowiednim stanom strukturalno-energetycznym wody w otoczeniu jonów lub odpowiednich grup funkcyjnych substancji rozpuszczonej. Cel ten ma zostać osiągnięty na drodze symulacji roztworów metodą dynamiki molekularnej (MD) oraz przy wykorzystaniu empirycznych zależności wiążących geometrię układu molekularnego hydratu (długość wiązań wodorowych) z położeniem pasma oscylacyjnego oraz sumaryczną energią oddziaływania między cząsteczkami wody.
Obliczenia prowadzone w ramach projektu obejmują: (1) wyznaczanie optymalnych geometrii klasterów wodnych substancji modelowych w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT) przy użyciu hybrydowego funkcjonału B3LYP; (2) symulacje metodą MD dla układów białko/osmolit/woda i odpowiednich układów binarnych; (3) symulacje kosztowną obliczeniowo metodą ab initio MD dla prostych związków modelowych w roztworze wodnym.
Wyniki obliczeń posłużą do wyznaczenia struktury otoczki hydratacyjnej badanych substancji, scharakteryzowania dynamiki procesu hydratacji oraz w niektórych przypadkach wygenerowania teoretycznego widma oscylacyjnego wody w roztworach.
Wyniki planowanych obliczeń posłużyć mają interpretacji widm oscylacyjnych FTIR wody półciężkiej (HDO) rozcieńczonej izotopowo w wodnych roztworach osmolitów, aminokwasów, oligopeptydów oraz prostych substancji modelowych. Stosowana przez nas metoda analizy widm roztworów prowadzi do wyizolowania widma wody zaburzonej przez substancję rozpuszczoną, złożonego z wielu pasm składowych. Obserwowane pasma należy następnie przypisać odpowiednim stanom strukturalno-energetycznym wody w otoczeniu jonów lub odpowiednich grup funkcyjnych substancji rozpuszczonej. Cel ten ma zostać osiągnięty na drodze symulacji roztworów metodą dynamiki molekularnej (MD) oraz przy wykorzystaniu empirycznych zależności wiążących geometrię układu molekularnego hydratu (długość wiązań wodorowych) z położeniem pasma oscylacyjnego oraz sumaryczną energią oddziaływania między cząsteczkami wody.
Obliczenia prowadzone w ramach projektu obejmują: (1) wyznaczanie optymalnych geometrii klasterów wodnych substancji modelowych w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT) przy użyciu hybrydowego funkcjonału B3LYP; (2) symulacje metodą MD dla układów białko/osmolit/woda i odpowiednich układów binarnych; (3) symulacje kosztowną obliczeniowo metodą ab initio MD dla prostych związków modelowych w roztworze wodnym.
Wyniki obliczeń posłużą do wyznaczenia struktury otoczki hydratacyjnej badanych substancji, scharakteryzowania dynamiki procesu hydratacji oraz w niektórych przypadkach wygenerowania teoretycznego widma oscylacyjnego wody w roztworach.
Publikacje
- Aneta Panuszko, Emilia Gojło, Janusz Stangret, Hydratacja mocznika, XLIX Zjazd PTChem i SiTPChem , (2006) 145
- Panuszko Aneta, Gojło Emilia, Stangret Janusz, Hydratacja amidów, 50 Jubileuszowy Zjazd PTChem oraz SITPChem , (2007) 137
- A. Panuszko, E. Gojło, J. Zielkiewicz, M. Śmiechowski, J. Krakowiak, J. Stangret, Hydration of Simple Amides. FTIR Spectra of HDO and Theoretical Studies, J. Phys. Chem. B 112, (2008) 2483-2493
- A. Panuszko, D. Wyrzykowski, J. Stangret, Hydratacja N-tlenku trimetyloaminy, 51 Zjazd PTChem i SITPChem, Opole , (2008) 133
- A. Panuszko, P. Bruździak, J. Stangret, Wpływ mocznika i jego alkilowych pochodnych na strukturę białka i właściwości rozpuszczalnika, 51 Zjazd PTChem i SITPChem, Opole , (2008) 133
- M. Śmiechowski, J. Stangret, Anti-cooperativity of H2O interactions with carboxylate anions in aqueous solutions, Current Trends in Theoretical Chemistry V, Kraków , (2008) P36
- E. Gojło, M. Śmiechowski, A. Panuszko, J. Stangret, Hydration of Carboxylate Anions: Infrared Spectroscopy of Aqueous Solutions, Journal of Physical Chemistry B 113, (2009) 8128-8136
- A. Panuszko, P. Bruździak, J. Zielkiewicz, D. Wyrzykowski, J. Stangret, Effects of Urea and Trimethylamine-N-oxide on the Properties of Water and the Secondary Structure of Hen Egg White Lysozyme, Journal of Physical Chemistry B 113, (2009) 14797-14809
- M. Śmiechowski, Theoretical study of the structure, energetics and vibrational frequencies of water-acetone and water-2-butanone complexes, Chemical Physics Letters 480, (2009) 178-184
- M. Śmiechowski, Vibrational spectroscopic studies of DMPU/water system, Xth International Conference on Molecular Spectroscopy , (2009) 34
- M. Śmiechowski, Theoretical pKa prediction of O-phosphoserine in aqueous solution, Chemical Physics Letters 501 , (2010) 123
- M. Śmiechowski, O-phospho-L-serine in an aqueous solution - ab initio studies of cluster structures and dissociation pathways, Intermolecular Interactions and Molecular Recognition, Central European School on Physical Organic Chemistry 00, (2010) 27
- A. Panuszko, D. Wyrzykowski, J. Stangret, Spectroscopic, calorimetric and ab initio study of water interactions with stabilizing and denaturating osmolytes, 30th European Congress on Molecular Spectroscopy 30, (2010) 130
- A. Panuszko, D. Wyrzykowski, J. Stangret, Spectroscopic, calorimetric and ab initio study of water interactions with stabilizing and denaturating osmolytes, 30th European Congress on Molecular Spectroscopy 30, (2010) 130
- Aneta Panuszko, Maciej Śmiechowski, Janusz Stangret, Fourier transform infrared spectroscopic and theoretical study of water interactions with glycine and its N-methylated derivatives, J. Chem. Phys. 134, (2011) 115104
- Piotr Bruździak, Aneta Panuszko, Janusz Stangret, Stabilizing agents and protein stability, Acta Biochimica Polonica, IV Congress of Polish Biotechnology and IV EUROBIOTECH 58, (2011) 30
- Aneta Panuszko, Hydratacja związków o biologicznym znaczeniu na podstawie widm FTIR oraz obliczeń teoretycznych, Politechnika Gdańska brak, (2011) 1-192
- Maciej Śmiechowski, Vibrational spectroscopic studies of N,N'-dimethylpropyleneurea - water system: Affected solvent spectra and factor analysis, Spectrochim. Acta A 79, (2011) 712
- Maciej Śmiechowski, Emilia Gojło, Janusz Stangret, Hydration of Simple Carboxylic Acids from Infrared Spectra of HDO and Theoretical Calculations, J. Phys. Chem. B 115, (2011) 4834
- A. Panuszko, B. Adamczak, J. Czub, E. Gojło, J. Stangret, Hydration of amino acids: FTIR spectra and molecular dynamics studies, Amino Acids 47, (2015) 2265?2278
- P. Bruździak, B. Adamczak, E. Kaczkowska, J. Czub, J. Stangret, Are stabilizing osmolytes preferentially excluded from the protein surface? FTIR and MD studies, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, (2015) 23155?23164
- M. Śmiechowski, Molecular hydrogen solvated in water - A computational study, J. Chem. Phys. 143, (2015) 244505
- M. Śmiechowski, The Simplest Hydrophobic Molecule in Water, 114th Bunsentagung, Bochum, Germany -, (2015) 27
- B. Adamczak, M. Wieczór, M. Kogut, J. Stangret, J. Czub, Molecular basis of the osmolyte effect on protein stability: a lesson from the mechanical unfolding of lysozyme, Biochem. J. 473, (2016) 3705?3724
- A. Panuszko, P. Bruździak, E. Kaczkowska, J. Stangret, General Mechanism of Osmolytes? Influence on Protein Stability Irrespective of the Type of Osmolyte Cosolvent, J. Phys. Chem. B 120, (2016) 11159-11169
- M. Śmiechowski, P. Maszota, A. Panuszko, J. Stangret, Infrared spectra of solute-affected water in aqueous solutions of urea and its N-methyl derivatives - experiment vs simulations, 52nd Symposium on Theoretical Chemistry 1, (2016) 1
- M. Śmiechowski, Visualizing spatially decomposed intermolecular correlations in the infrared spectra of aprotic liquids, J. Mol. Graph. 78, (2017) 148-157
- M. Śmiechowski, J. Krakowiak, P. Bruździak, J. Stangret, Unique Agreement of Experimental and Computational Infrared Spectroscopy: a Case Study of Lithium Bromide Solvation in an Important Electrochemical Solvent, Phys. Chem. Chem. Phys. 19, (2017) 9270-9280
- P. Bruździak, A. Panuszko, E. Kaczkowska, B. Piotrowski, A. Daghir, S. Demkowicz, J. Stangret, Taurine as a water structure breaker and protein stabilizer, Amino Acids 50, (2018) 125-140
- P. Bruździak, A. Panuszko, E. Kaczkowska, B. Piotrowski, A. Daghir, S. Demkowicz, J. Stangret, Taurine as a water structure breaker and protein stabilizer, Amino Acids 50, (2018) 125-140
- Karol A. Biernacki, Emilia Kaczkowska, Piotr Bruz?dziak, Aqueous solutions of NMA, Na2HPO4, and NaH2PO4 as models for interaction studies in phosphate-protein systems, Journal of Molecular Liquids 265, (2018) 361-371
- Piotr Bruździak, Aneta Panuszko, Barnaba Piotrowski, Janusz Stangret, Structural changes of a simple peptide-Trpzip-1-in aqueous solutions and the corresponding hydration phenomena under the influence of temperature, Journal of Molecular Liquids 00, (2018) 000
- P. Rakowska, M. Kogut, J. Czub, J. Stangret, Effect of Osmolytes of Different Type on DNA Behaviour in Aqueous Solution. Experimental and Theoretical Studies., J. Mol. Liquids 271, (2018) 186-201
- B. Adamczak, M. Kogut, J. Czub, Effect of osmolytes on the thermal stability of proteins: replica exchange simulations of Trp-cage in urea and betaine solutions, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, (2018) 11174011182
- M. Marć, A. Panuszko, J. Namieśnik, P. P. Wieczorek, Preparation and characterization of dummy-template molecularly imprinted polymers as potential sorbents for the recognition of selected polybrominated diphenyl ethers, Anal. Chim. Acta 2018, 1030, (2018) 77-95
- M. Marć, A. Panuszko, B. Piotrowski, P. P. Wieczorek, Zastosowanie komputerowego modelowania molekularnego w praktyce analitycznej do uproszczenia procesu przygotowania i charakterystyki nowego typu materiałów sorpcyjnych z odciskiem molekularnym, 61. Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego 61, (2018) 27
- P. Bruździak, A. Panuszko, B. Piotrowski, J. Stangret, Structural changes of a simple peptide - Trpzip-1 - in aqueous solutions and the corresponding hydration phenomena under the influence of temperature, J. Mol. Liquids 277, (2019) 532-540
- A. Panuszko, M. G. Nowak, P. Bruździak, M. Stasiulewicz, J. Stangret, Amides as models to study the hydration of proteins and peptides - spectroscopic and theoretical approach on hydration in various temperatures, J. Mol. Liquids 278, (2019) 706-715
- A. Panuszko, P. Bruździak, M. Śmiechowski, M. Stasiulewicz, J. Stefaniak, J. Stangret, DMSO hydration redefined: Unraveling the hydrophobic hydration of solutes with a mixed hydrophilic-hydrophobic characteristic, J. Mol. Liquids 294, (2019) 111661
- Marcin Stasiulewicz, Aneta Panuszko, Maciej Śmiechowski, Piotr Bruździak, Paweł Maszota, Janusz Stangret, Effect of urea and glycine betaine on the hydration sphere of model molecules for the surface features of proteins, Journal of Molecular Liquids 324, (2021) 115090
- Stasiulewicz M, Panuszko A, Śmiechowski M, Bruździak P, Maszota P, Stangret J, Effect of urea and glycine betaine on the hydration sphere of model molecules for the surface features of proteins, Journal of Molecular Liquids 324, (2021) 115090
- Panuszko A, Pieloszczyk M, Kuffel A, Jacek K, Biernacki KA, Demkowicz S, Stangret J, Bruździak P, Hydration of Simple Model Peptides in Aqueous Osmolyte Solutions, International Journal of Molecular Sciences 22, (2021) 9350
- Godlewska J, Cieśla B, Bruździak P, Peptyd K i osmolity w roztworze – badania spektroskopowe i teoretyczne, 63 Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego 63, (2021) S02 P034
- Godlewska J, Cieśla B, Bruździak P, K peptide and osmolytes in solution – spectroscopic and theoretical studies, Chemistry World Conference 2021, (2021) 52
- Julia Godlewska, Bartosz Cieśla, Jarosław Wawer, Piotr Bruździak, DMSO and TMAO—Differences in Interactions in Aqueous Solutions of the K-Peptide, International Journal of Molecular Sciences 23, (2022) 1872